高壓水力壓裂技術在堅硬頂板弱化控制中的應用

焦世雄

（晉能控股煤業(yè)集團白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

同煤集團白洞煤礦在使用綜采放頂煤技術開采二疊系特厚煤層時，因工作面煤層頂板堅硬，回采過程中不會及時垮落，在基本頂初次來壓期間工作面礦壓表現(xiàn)極為劇烈，對工作面安全生產(chǎn)帶來較大影響。根據(jù)該礦煤層地質情況及開采條件分析可知，僅僅依靠提高工作面液壓支架的支撐力來增強對頂板的支撐強度是不能有效降低工作面礦壓顯現(xiàn)強度的，還需要采取弱化頂板強度措施來緩解工作面高應力集中問題，從根本上來解決工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈問題。為此，結合工作面實際開采條件，提出高壓水力壓裂弱化煤層堅硬頂板技術，經(jīng)現(xiàn)場應用效果分析，取得了較好效果。

1 工程概況

15112 工作面位于15 采區(qū)南翼最上部，東部為15111 工作面采空區(qū)，西部為15 采區(qū)邊界臨近FB57 斷層下盤防隔水煤柱，南部為礦井邊界保護煤柱，北部為15 采區(qū)回風、軌道和膠帶下山三條巷道。工作面傾斜長165 m，走向長1058 m，工作面開采二1 煤層，煤層平均厚度8.3 m，平均傾角5°，采用綜合機械化放頂煤開采工藝，采高為3 m，放煤高度為5.3 m，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面煤層直接頂為K2 石灰?guī)r與泥巖細粒砂巖互層，其中K2 石灰?guī)r硬度較大，平均厚度6.2 m，直接底為泥巖。

根據(jù)鄰近15111 工作面回采期間工作面礦壓觀測分析可知，工作面基本頂初次來壓步距為68.8 m左右，周期來壓步距25.7 m 左右。工作面基本頂初次來壓和周期來壓期間，頂板壓力顯現(xiàn)非常明顯且持續(xù)時間也非常長，工作面液壓支架立柱安全閥打開次數(shù)非常頻繁。初次來壓期間，支架立柱下縮較大，最大時可達到350 mm/h，來壓強度平均達到56 MPa 以上，周期來壓期間來壓強度平均達到42 MPa，礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)為工作面中部大于上下兩個端頭。在來壓期間工作面煤墻片幫程度及范圍也明顯增大，上下順槽巷道經(jīng)常還會出現(xiàn)點柱和坑木梁壓斷、剛性梁壓彎、巷道頂板下沉量增大等現(xiàn)象。

2 技術原理及施工工藝流程

2.1 高壓水力壓裂技術原理

地下巖層由于是由多種礦物質組合而成，其整體結構極為復雜，巖層中存在許多遇水容易發(fā)生膨脹變形的黏土層，巖體本身也存在大量節(jié)理和裂隙，具有各向非均質的特性。巖體受到水的高壓作用力和長時間浸泡后，巖層結構和物理性質將會發(fā)生改變，巖層的黏結力下降、滲透性增強、抗壓能力降低，同時巖體內部節(jié)理、裂隙也發(fā)生了二次發(fā)育和擴展，使巖體的整體結構和強度被進一步破壞[1-2]。高壓水力壓裂技術就是利用水的高壓作用可以弱化巖體強度的特點，通過在堅硬巖層頂板內施工預裂鉆孔后向巖體內注入高壓水，在水的高壓和滲透作用下，使巖層內部結構和物理性質發(fā)生改變，裂隙、節(jié)理得到二次擴展和發(fā)育，致使巖體整體強度降低，從而實現(xiàn)弱化堅硬頂板的目的[3-6]。

2.2 高壓水力壓裂施工工藝流程

高壓水力壓裂施工工藝流程主要分為四個步驟[7-8]，分別為鉆孔—割縫—封孔—高壓注水，其使用的主要裝備有高壓注水泵及水箱、切槽鉆頭、鉆桿、專用封孔器、高壓管路、電器控制箱等，施工設備及系統(tǒng)布置如圖1。

圖1 高壓水力壓裂施工系統(tǒng)布置示意圖

在工作面進行高壓水力壓裂施工時，通常是在工作面切眼和進風巷及回風巷巷道內布置鉆機，但當巷道斷面達不到鉆機所需要求時可在巷道內施工鉆場用于放置鉆機。鉆孔施工時按照鉆孔設計要求朝巷道頂板進行鉆進，為滿足鉆孔施工要求，要根據(jù)工作面巖層性質及鉆孔設計參數(shù)來選取鉆機型號，同時為便于鉆孔和封孔作業(yè)順利進行，鉆孔位置應選擇巖層壁面光滑、內部無明顯節(jié)理裂隙和頂板離層的地點。當鉆孔施工到預定位置后，將鉆頭更換為切槽鉆頭，在鉆孔底部切割出一個2 倍直徑的楔形槽（如圖2），并使用鉆孔窺視鏡對鉆孔開槽情況進行查驗。當鉆孔開槽施工結束達到設計要求后先對鉆孔進行預沖孔處理，然后使用專用封孔器對鉆孔進行封孔，最后連接好高壓管路開啟高壓注水泵對鉆孔進行高壓注水壓裂頂板巖層。

圖2 鉆孔切槽示意圖

3 工程應用

3.1 切眼內鉆孔施工方案

在15112 工作面切眼內沿傾向方向設計布置兩排水力壓裂鉆孔，其中一排鉆孔位于工作面切眼煤壁側，與水平方向成60°夾角，孔深7.0 m；另一排位于工作面切眼采空區(qū)側，與水平方向成80°夾角，孔深12.0 m。兩排鉆孔均設計距工作面底板2.5 m，孔間距為15 m，鉆孔直徑為75 mm。煤壁側鉆孔與采空區(qū)側鉆孔呈交錯布置，具體設計如圖3。

圖3 15112 工作面切眼水力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.2 順槽鉆孔施工方案

在15112 工作面進風順槽和回風順槽內回采側和煤柱側距巷幫1.0 m 位置分別設計布置一排水力壓裂鉆孔，鉆孔垂直于巷道頂板施工，鉆孔直徑為32 mm。其中巷道回采側鉆孔孔深為6.0 m，煤柱側鉆孔孔深為10.0 m，鉆孔間距均設計為8.0 m。巷道煤柱側鉆孔與回采側鉆孔呈交錯布置。15112 工作面順槽鉆孔布置如圖4（以回風巷鉆孔布置為例）。

圖4 15112 工作面順槽力壓裂鉆孔布置示意圖（m）

3.3 水力壓裂施工技術參數(shù)

設計注水壓力為30～50 MPa，注水時間設計為30～40 min。在現(xiàn)場施工作業(yè)過程中，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況對施工參數(shù)進行優(yōu)化調整。

4 應用效果

在15112 工作面回采初期，在工作面試驗應用高壓水力壓裂技術對工作面堅硬頂板進行超前預裂施工，施工后利用鉆孔窺視儀對頂板壓裂效果進行窺視探查，結果如圖5。由圖5 觀察的結果分析可知，在孔口位置是頂板巖層的原生裂隙，未受到水力壓裂作用的影響，而在孔底位置則發(fā)育有多條明顯縱橫交替的裂隙，由此說明高壓水力壓裂作用取得明顯的效果。同時，在工作面回采過程中，對工作面礦壓變化情況進行在線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果顯示，15112 工作面在回采過程中初次來壓步距為36.9 m，初次來壓強度為26.8～36.2 MPa，平均為32.6 MPa；周期來壓步距11.2～13.5 m，平均12.3 m，來壓強度18.2～21.4 MPa，平均19.8 MPa。工作面應用高壓水力壓裂技術后，初次來壓步距和來壓強度比未應用前分別降低了46.4%和41.8%，周期來壓步距和來壓強度分別降低了52.1%和52.9%；工作面初次來壓和周期來壓期間，工作面煤壁片幫最大長度2 m，片幫深度0.8 m，未出現(xiàn)大面積片幫和漏頂流煤現(xiàn)象。由此表明高壓水力壓裂技術能夠降低工作面堅硬頂板整體強度，達到弱化和控制的目的，為工作面安全生產(chǎn)提供有力保障。

圖5 15112 工作面水力壓裂鉆孔窺視情況

5 結語

通過在15112 工作面堅硬頂板巖層內提前施工水力壓裂鉆孔，采用高壓注水方式對基本頂巖層進行切縫壓裂，使其內部裂隙和層理形成二次發(fā)育。現(xiàn)場應用結果表明，高壓水力壓裂技術能夠大幅度縮短工作面基本頂初次來壓和周期來壓步距，降低來壓強度，工作面頂板和煤壁得到有效控制，為工作面安全生產(chǎn)提供有效保障，為類似條件下工作面堅硬頂板弱化控制提供技術參考。